呂 洋，王黎明

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

藍(lán)莓(Blueberry)又名篤斯，屬杜鵑花科，越橘屬植物，果實(shí)呈扁圓形且皮薄，且含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。我國(guó)的藍(lán)莓產(chǎn)量由2005年的181t增長(zhǎng)到2015年的43 184t[1]。目前，藍(lán)莓果實(shí)的采摘方式主要依靠人工采摘，效率低，影響藍(lán)莓的品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益。藍(lán)莓果實(shí)在采摘、加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏等過(guò)程中容易受到外力的作用，從而使果實(shí)產(chǎn)生機(jī)械損傷。果實(shí)的機(jī)械損傷一般是由壓縮載荷引起的。力學(xué)特性的相關(guān)研究被廣泛應(yīng)用在果蔬機(jī)械損傷試驗(yàn)中，包括葡萄[2-3]、荔枝[4-5]、楊梅果[6-7]、蘋(píng)果[8-9]、辣椒[10]、木薯[11]、銀杏[12]、番茄[13-14]和鮮棗[15]等。

壓縮強(qiáng)度通常是判斷蔬菜和水果的品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，蔬菜、水果的內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量也十分困難，因此在自然狀態(tài)下對(duì)藍(lán)莓壓縮載荷作用下的分析很有價(jià)值，其結(jié)果也可以為工程分析和計(jì)算提供有意義的依據(jù)[16]。目前對(duì)藍(lán)莓果實(shí)壓縮特性研究的文章較少，本文通過(guò)對(duì)藍(lán)莓整果進(jìn)行壓縮載荷下的力學(xué)特性試驗(yàn)，探討采摘外力對(duì)藍(lán)莓宏觀組織的影響，并設(shè)計(jì)機(jī)械損傷下藍(lán)莓果實(shí)力學(xué)特性試驗(yàn)方案，得出機(jī)械損傷下藍(lán)莓果實(shí)的力學(xué)特性方程，探討機(jī)械采摘藍(lán)莓果實(shí)的損傷規(guī)律，為藍(lán)莓果實(shí)的采摘與收獲機(jī)械設(shè)計(jì)提供參考。

1 藍(lán)莓整果的壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)藍(lán)莓隨機(jī)選取顏色均勻、無(wú)病蟲(chóng)害、表皮無(wú)損傷的50個(gè)藍(lán)莓樣品，由METTLER TOLEDO電子稱(chēng)(精度0.001g)測(cè)得單果質(zhì)量為0.651～1.920g，直徑由電子游標(biāo)卡尺(精度0.02mm)每個(gè)方向測(cè)3次取平均值減小隨機(jī)誤差，橫向直徑10.65～15.45mm，縱向(蒂部到頂部)直徑5.63～11.56mm。在樣本中選擇差異較大的個(gè)體，使用WDW-200E型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)速度范圍為0.01～300mm/min，無(wú)級(jí)調(diào)速，精度±0.5%，分辨率1/200 000。在試驗(yàn)過(guò)程中可由微機(jī)自動(dòng)控制加載、卸載和力與位移數(shù)據(jù)的收集。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.加載裝置 2.上壓板 3.藍(lán)莓試樣 4.下壓板 5.打印機(jī) 6.計(jì)算機(jī)

分別對(duì)單粒藍(lán)莓的縱向與橫向進(jìn)行壓縮試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)，得到試驗(yàn)力-時(shí)間曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)。由圖2、圖3可知：無(wú)論橫向還是縱向壓縮，力與位移曲線(xiàn)均為非線(xiàn)性，且沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)出現(xiàn)，達(dá)到破裂力后，藍(lán)莓表皮發(fā)生破裂。

1.上壓板 2.藍(lán)莓試樣 3.下壓板

圖3 試驗(yàn)力與時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.3 Test force and time change diagram

彈性模量可以衡量物料產(chǎn)生彈性變形的難易程度，一般其值越大，表示物料發(fā)生彈性變形所需的應(yīng)力越大。

在藍(lán)莓壓縮試驗(yàn)的彈性階段過(guò)程中，在靜載荷和變形的初期階段變形較小的條件下，應(yīng)用赫芝理論建立能夠識(shí)別物料彈性模量的壓縮方程。由單面平板壓縮方程可得

式中F—壓力；

μ—物料的泊松比，通常果蔬的泊松比在0.2～0.5之間；

D—壓縮變形量；

R—被測(cè)物料與平板接觸處的最大曲率半徑；

R1′—被測(cè)物料與平板接觸處的最小曲率半徑；

K—取決于物體的兩個(gè)主曲率的常系數(shù)，其值已由赫茲理論算出(見(jiàn)表1)。

表1 K值Table 1 K value

表1中，θ值可以由公式算出；R、R′是分別為被測(cè)物料與平板接觸的最大曲率半徑與最小曲率半徑。

取藍(lán)莓的泊松比為0.3，根據(jù)藍(lán)莓壓縮試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)應(yīng)用單面平板壓縮方程計(jì)算得出線(xiàn)性范圍內(nèi)的藍(lán)莓彈性模量：橫向壓縮模量為0.21MPa，縱向壓縮模量為0.18MPa。由于其彈性模量較小，可知較小的應(yīng)力就可以使藍(lán)莓產(chǎn)生形變。

在三水平正交表中，選用試驗(yàn)量最小無(wú)交互作用的L9(34)正交表安排，因素水平如表2所示。選用直徑、距平臺(tái)高度及加載速度為3個(gè)因素，根據(jù)吳德光的壓縮試驗(yàn)方法[17],采用剛性單面平板壓縮方式，下壓板不動(dòng)，上壓板分別以固定速率1、5、10mm/min垂直下壓。試驗(yàn)用的藍(lán)莓直徑由電子天平測(cè)得，并取平均值。用藍(lán)莓的破裂力作為試驗(yàn)指標(biāo)，藍(lán)莓的破裂力是壓縮特性試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)應(yīng)宏觀結(jié)構(gòu)的破壞。試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)單粒藍(lán)莓果實(shí)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，極差分析如表3所示。

表2 因素水平Table 2 The level of factor

表3 極差分析表Table 3 The poor analysis table

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 極差分析

由表3可知：K1、K2、K3分別為各因素在各水平下藍(lán)莓破裂所需要的應(yīng)力，k1、k2、k3表示各因素在各水平下藍(lán)莓果實(shí)破裂力的平均值，藍(lán)莓的直徑對(duì)藍(lán)莓果實(shí)破裂力的影響大于藍(lán)莓的加載速度與藍(lán)莓距平臺(tái)高度。

藍(lán)莓的直徑越大，越不容易受到損傷，原因主要是：藍(lán)莓果實(shí)越飽滿(mǎn)，其內(nèi)部的纖維組織結(jié)合越緊密。加載速度越快，越容易受到損傷，原因主要是：加載速度越快，藍(lán)莓越容易受到?jīng)_擊力的作用，導(dǎo)致藍(lán)莓果實(shí)表皮受損而破裂。藍(lán)莓距離平臺(tái)高度基本上沒(méi)有影響，原因主要是：藍(lán)莓是否受到機(jī)械損傷與內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，與放置方向無(wú)太大關(guān)系。

2.2 方差分析

本試驗(yàn)主要運(yùn)用SPSS20.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析Table 4 The analysis of variance

由表4可知：直徑與破壞力對(duì)應(yīng)的Sig值、加載速度與破裂力對(duì)應(yīng)的Sig值及高度與破裂力對(duì)應(yīng)的Sig值，是方差分析時(shí)顯著性指標(biāo)的參考數(shù)值；Sig值越小，說(shuō)明試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著。直徑與破裂力的Sig值在0.1左右，可以認(rèn)為其對(duì)破裂力存在影響，高度對(duì)破裂力的影響較小。在直徑、加載速度、高度3個(gè)因素中，藍(lán)莓的直徑對(duì)破裂力的影響最大，其分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致。

運(yùn)用SPSS軟件中的兩兩比較，能夠比較同一因素下不同水平之間是否存在明顯的差異，如表5所示。由表5可以得出不同水平之間藍(lán)莓直徑、加載速度與距平臺(tái)高度存在差異。其中，藍(lán)莓直徑對(duì)藍(lán)莓破裂力的影響最大。

表5 兩兩比較Table 5 The comparison of two

2.3 回歸分析

運(yùn)用SPSS20.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，選擇逐步回歸，如表6所示。由表6可知：在直徑、加載速度與高度變量都存在的情況下，高度的Sig值為0.875>0.1，表明其對(duì)因變量破裂力的影響較小，R2值為0.777。剔除高度對(duì)藍(lán)莓破裂力的影響重新擬合，其Sig值均小于0.1，影響顯著，R2值為0.776。兩次R2值相差較小，所以在3個(gè)變量都剔除距平臺(tái)高度對(duì)藍(lán)莓破裂力的影響，可以得到破裂力與藍(lán)莓直徑、加載速度的關(guān)系式為

Y=-0.332+1.154X1-0.323X2

式中X1—藍(lán)莓的直徑；

X2—加載速度。

表6 相關(guān)系數(shù)Table 6 The correlation coefficient

模型系數(shù)a非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B標(biāo)準(zhǔn) 誤差標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)試用版tSig.1(常量)0.3324.010-0.0830.937直徑1.1540.3070.7273.7590.009加載速度-0.3230.126-0.497-2.5720.042a. 因變量: 破裂力

3 結(jié)論

1)藍(lán)莓果實(shí)在壓縮載荷的作用下，無(wú)論是橫向還是縱向力，與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)均為非線(xiàn)性，壓縮過(guò)程中無(wú)明顯的生物體屈服點(diǎn)出現(xiàn)，壓縮力上升至破裂力后，藍(lán)莓發(fā)生破裂。通過(guò)計(jì)算得出了藍(lán)莓的壓縮彈性模量，其縱向與橫向分別為0.18MPa和0.21MPa，即較小的力就可以使藍(lán)莓產(chǎn)生變形。

2)以藍(lán)莓破裂力為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)極差分析與方差分析得知：藍(lán)莓的直徑大小對(duì)藍(lán)莓破裂力的有一定的影響。藍(lán)莓果實(shí)的直徑越大，越不容易受到損傷；加載速度越快，藍(lán)莓果實(shí)越容易受到損傷；藍(lán)莓距平臺(tái)的高度對(duì)藍(lán)莓果實(shí)損傷沒(méi)有影響。同時(shí)，得出了破裂力與藍(lán)莓直徑和加載速度的關(guān)系式。

3)選取的因素較少，僅能得到部分影響藍(lán)莓破裂的因素。由于藍(lán)莓品種間存在差異性，即不同品種藍(lán)莓的內(nèi)部纖維組織結(jié)合程度也不相同，因此對(duì)所得結(jié)果也有影響。